Постол Юлія Олександрівна. Розробка і дослідження двомірної системи автоматичного регулювання двигуна Стірлінга невеликої потужності

Краткое описание

Постол Юлія Олександрівна. Розробка і дослідження двомірної системи автоматичного регулювання двигуна Стірлінга невеликої потужності: дис... канд. техн. наук: 05.05.03 / Національний транспортний ун-т. - К., 2004

Постол Ю.О. Розробка і дослідження двомірної системи автоматичного регулювання двигуна Стірлінга невеликої потужності. Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 Теплові двигуни. Національний транспортний університет, Київ, 2004
Дисертація присвячена розробці системи автоматичного регулювання двигуна Стірлінга невеликої потужності, призначеного для використання як первинний двигун у міні-Стірлінгелектричних агрегатах, і визначенню його раціональних параметрів. Показано, що в малопотужних ДС можна не регулювати подачу повітря в камеру згоряння, а обмежуватись автоматичним регулюванням максимальної температури стінки нагрівача і частоти обертання колінчатого вала ДС. Для цього розроблена двомірна незв'язана система автоматичного регулювання ДС, в яку входять дві самостійні системи: для регулювання температури нагрівача і частоти обертання ДС. В обох системах застосовані мікропроцесорні астатичні регулятори. У зв'язку з відсутністю на Україні повноцінних ДС, в якості регульованого об'єкта прийнята спрощена діюча модель цього двигуна під маркою УДС-1, до нього пасовою передачею приєднано електричний генератор постійного струму, що використовувався як гальмовий пристрій. Для регулювання потужності до робочого циліндра ДС приєднано додатковий мертвий” об’єм у вигляді циліндра з поршнем, на який діє регулятор частоти обертання. Для проведення розрахунково-теоретичних досліджень розроблена нелінійна динамічна модель, у яку входять диференціальне рівняння другого порядку і чотири диференціальних рівняння першого порядку. Система диференціальних рівнянь вирішувалась чисельним методом Рунге-Кутта-Фельдберга на ПЕОМ. Для експериментальних досліджень ДС був обладнаний приладами для вимірювання основних показників його роботи, у тому числі індиціювання тиску в робочому циліндрі і запису перехідних процесів на ПЕОМ. Підтверджено адекватність математичної моделі.
Дослідження показали, що якість перехідних процесів в експериментальній САР істотно залежать від двох параметрів: швидкості змінювання мертвого” об’єму і запізнювання початку переміщення поршня в цьому об’ємі. Визначено раціональні значення цих параметрів: швидкість не менше 100 см3/з, запізнювання не більше 0,1 с. У цьому випадку закиди частоти обертання та тривалість перехідних процесів не перевищує припустимих значень 10% і 5 с. У цілому досліджену САР можна рекомендувати як основу для розробки САР перспективних ДС невеликої потужності.

1. Одним з напрямків вирішення проблеми використання альтернативних видів палив, які непридатні для ДВЗ, є застосування двигунів Стірлінга для приводу електричних агрегатів невеликої потужності. Однак для ДС потрібна складна багатомірна САР частоти обертання колінчатого вала і температури стінки нагрівача, причому потужність регулюють зміною початкового тиску робочого циклу в циліндрах ДС.
2. Систему автоматичного регулювання малопотужного ДС можна спростити шляхом застосування регулювання потужності змінювання величини мертвого” об’єму за умов подачі повітря в камеру згоряння природною тягою. Така експериментальна двомірна САР розроблена в дисертації.
Для натурних досліджень виготовлена експериментальна Стірлінг електрична установка з навчальним ДС мод. УДС-1, обладнана експериментальною САР.
3. Експериментальна САРТ розроблена на базі мікропроцесорного вимірника регулятора ТРМ12-Pic, у який внесені зміни для збільшення його швидкодії, а експериментальна САРЧ на базі лічильника імпульсів СИ-8. У САРТ і САРЧ реалізується релейний трьохпозиційний принцип регулювання і здійснюється пропорційно диференційний закон регулювання.
4. Дослідами встановлено, що ДС мод. УДС-1 в агрегаті з електричним генератором є аперіодичною ланкою другого порядку, рух якої описується лінійним диференціальним рівнянням 2-го порядку.
5. Для розрахунково теоретичних досліджень статичних і динамічних властивостей САР ДС мод. УДС-1 розроблена нелінійна динамічна математична модель САР ДС мод. УДС-1 в агрегаті з електрогенератором і складені алгоритми та програми для виконання розрахунків на ЕОМ. У математичну модель входять одне диференціальне рівняння другого порядку і чотири диференціальних рівняння першого порядку, в ній враховані всі істотні і несуттєві нелінійності. Динамічні процеси в САР розраховувалися на ЕОМ шляхом чисельного інтегрування системи диференціальних рівнянь методом Рунге-Кутта-Фельдберга.
Підтверджено адекватність математичної моделі.
6. Розрахунки за допомогою математичної моделі і натурні експерименти показали:
а) релейні регулятори забезпечують одержання астатичних характеристик частоти обертання ДС і температури нагрівача;
б) перехідні процеси за частотою обертання після миттєвого скидання накиду навантаження відбуваються з одним закиданням частоти обертання, що свідчить про великий запас стійкості САРЧ;
в) на показники якості перехідних процесів після миттєвих скидання і накиду навантаження, в основному, впливає швидкість змінювання додаткового мертвого” об’єму і запізнювання начала його зміни. Чим більше швидкість і менше запізнювання, тим менш закид частоти обертання і тривалість перехідного процесу;
г) введення в закон регулювання впливу по похідній сприяє підвищенню стійкості САР;
д) при швидкості змінювання додаткового мертвого” об’єму не менше
100 см3/с і запізнювання не більше 0,1 с, в дослідній САР забезпечуються показники перехідних процесів відповідно до ГОСТ 13822-82 і ГОСТ 10511-83: закид частоти обертання не більше 10%, тривалість перехідного процесу регулювання не більше
5 с.
7. Проведені дослідження мають пошуковий характер. Результати їх використовуються в науково-дослідній роботі, а також у навчальному процесі в ТДАТА і НТУ і можуть бути використані при розробках вітчизняних Стірлінг - електричних агрегатів невеликої потужності.